Квантовая физика - Световые кванты - Квантовая физика

Цель: ознакомить с новым разделом физики.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Изучение нового материала

В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики завершилось по следующим причинам:

1. Больше 200 лет существуют законы механики, теория всемирного тяготения.

2. Разработана молекулярно-кинетическая теория.

3. Подведен прочный фундамент под термодинамику.

4. Завершена максвелловская теория электромагнетизма.

5. Открыты фундаментальные законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса, массы и электрического заряда).

В конце XIX - начале XX вв. открыты:

В. Рентгеном - Х-лучи;

А. Беккерелем - явление радиоактивности;

Дж. Томсоном - электрон.

Однако классическая физика не сумела объяснить эти явления.

Теория относительности А. Эйнштейна потребовала коренного пересмотра понятий пространства и времени. Специальные опыты доказали справедливость гипотезы Д. Максвелла об электромагнитной природе света. Можно было предположить, что излучение электромагнитных волн нагретыми телами обусловлено колебательным движением электронов. Но это предположение нужно было подтвердить сопоставлением теоретических и экспериментальных данных.

Для теоретического рассмотрения законов излучений использовали модель абсолютно черного тела, т. е. тела, полностью поглощающего электромагнитные волны любой длины. Австрийские физики И. Стефан и Л. Больцман экспериментально установили, что полная энергия, излучаемая за 1 с абсолютно черным телом с единицы поверхности пропорциональная четвертой степени абсолютной температуры:

где — постоянная Больцмана.

Закон был назван законом Стефана-Больцмана. Он позволил вычислить энергию излучения абсолютно черного тела по известной температуре. По заданным значениям температуры интенсивность излучения черного тела максимальна и соответствует определенному значению длины волны.

Немецкий физик В. Вин обнаружил, что при изменении температуры длина волны, на которую приходится Е_mаx, убывает на ~1/T, поэтому

Используя законы термодинамики В. Вин получил закон распределения энергии в спектре черного тела, который совпадает с экспериментальными результатами.

Английский физик Дж. Рэлей сделал попытку более строгого теоретического вывода закона распределения энергии. Его закон приводит к хорошему совпадению с опытами в области малых частей. По этому закону интенсивность излучения должна возрастать на ~v². Следовательно, в тепловом излучении должно быть много ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, чего на опыте не наблюдалось. Затруднения в согласовании теории и результатов эксперимента получили название ультрафиолетовой катастрофы. Законы, полученные Максвеллом, оказались не в состоянии объяснить форму кривой распределения интенсивности в спектре абсолютно черного тела.

В самом конце прошлого века Макс Планк (1858-1947), как и многие до него, искал универсальную формулу для спектральной функции абсолютно черного тела. Ему повезло больше, чем другим - вначале он ее просто угадал, хотя появилась она не вдруг: два года напряженных размышлений потребовались Планку, чтобы объединить в одной формуле разрозненные куски единой картины явления теплового излучения.

19 октября 1900 г. происходило очередное заседание Немецкого физического общества, на котором экспериментаторы Генрих Рубенс (1885-1922) и Фердинанд Курлбаум (1857-1927) докладывали о новых, более точных измерениях спектра абсолютно черного тела. После доклада состоялась дискуссия, в ходе которой экспериментаторы сетовали на то, что ни одна теория не может объяснить их результаты. Планк предложил воспользоваться своей формулой. В ту же ночь Рубенс сравнил свои измерения с формулой Планка и убедился, что она правильно, до мельчайших подробностей, описывает спектр абсолютно черного тела. На утро он сообщил это коллеге и близкому другу Планку и поздравил его с успехом.

Однако План был теоретик и потому ценил не только окончательные результаты теорий, но и внутреннее их совершенство. К тому же он и не знал, что открыл новый закон природы, и верил, что его можно вывести из ранее известных. Поэтому он стремился теоретически обосновать закон излучения, исходя из простых посылок кинетической теории материи и термодинамики. Последовали два месяца непрерывной работы и предельного напряжения сил. Ему это удалось. Но какой ценой! В процессе вычислений он предположил, что энергия испускается порциями (или квантами), которые определяются формулой:

Е = hv,

где v - частота излучения; h - постоянная Планка.

Предположение Планка было простым, но по существу противоречило всему прежнему опыту физики. «Излучение - это волновой процесс». Если так, то энергия в этом процессе должна передаваться непрерывно, а не порциями - квантами. Это противоречие Планк осознавал. Он выявил эту формулу, когда ему было 42 года, но почти всю оставшуюся жизнь он страдал от логического несовершенства им же созданной теории. Двадцать лет спустя, в докладе, который План сделал по случаю вручения ему Нобелевской премии по физике, он вспоминал, что в то время признание реальности квантов было для него равносильно «нарушению непрерывности всех причинных связей в природе». И далее, в 1933 г. в письме к Роберту Вуду он назвал свою теорию «актом отчаяния».

Только формула Планка удовлетворила ученых: она поразительно совпадала с результатами опытов, хоти и не становилась от этого более понятной. Только четверть века спустя новая наука - квантовая механика - объяснит истинный смысл революции, которую, подчиняясь логике научного исследования, и во многом вопреки своей воле, совершил в физике Макс Планк.

В пятницу, 14 декабря 1900 г. в зоне заседания Немецкого физического общества родилась новая наука - учение о квантах.

III. Закрепление изученного

- Как согласно гипотезе Планка абсолютно черное тело излучает энергию?

- Согласно электродинамике Максвелла нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Так ли это в действительности?

- За счет чего получена теория теплового излучения Планка в применении к макроскопическим системам?

- Что происходит с максимумом интенсивности излучения при увеличении температуры нагретого тела?

- Какие явления изучает квантовая физика?

IV. Подведение итогов урока

Домашнее задание

с. 269-270.

Дополнительный материал

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (1858-1947)

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк родился в 1858 году в городе Киле, где его отец был профессором юриспруденции.

Макс Планк получил в основном математическое образование. Он учился в Мюнхене, потом в Берлине. Его учителями были такие выдающиеся немецкие ученые, как Гельмгольц и Кирхгоф. Его ранние работы по теории теплоты принесли ему известность и, не достигнув даже тридцатидвухлетнего возраста, Планк руководил кафедрой физики в Берлинском университете.

Он никогда не занимался экспериментальной работой и всю жизнь оставался теоретиком до мозга костей.

Планк всю жизнь интересовался философскими вопросами физики, был убежден в реальности внешнего мира и в могуществе разума. Это существенно отметить, потому что очень важный этап его деятельности протекал в обстановке кризиса в физике.

Однако материалистически настроенный Планк твердо противостоял модным позитивистским увлечениям Маха и Оствальда, о которых мы еще будем говорить. «Он был типичным немцем в лучшем смысле этого слова, - пишет в своей книге Джорд Паджет Томсон, видный физик нашего времени, сын Дж.-Дж. Томсона. - Честный, педантичный, с чувством собственного достоинства, по-видимому, способный отбросить всю чопорность и превратиться в обаятельного человека».

Работая одно время в университете вместе с Эйнштейном, Планк был с ним очень дружен. Часто вечерами в импровизированных концертах они выступали вдвоем: Планк играл на фортепиано, Эйнштейн - на скрипке.

Макс Планк был спокойным человеком с сильным характером. Он до конца своей жизни оставался предан науке, всегда хорошо относился к людям и никогда не стоял в стороне от общественных дел и событий.

О твердости и принципиальности его характера говорит тот факт, что в годы фашистского режима на одном из официальных приемов Планк бесстрашно осудил преследование властями евреев и просил об освобождении ряда своих знакомых. Взбешенный фюрер выставил его из кабинета.

Некоторое время спустя младший сын Планка вместе с другими патриотами после раскрытия заговора против Гитлера был арестован и казнен фашистами.

Такой осталась память о Максе Планке - честном, немного старомодном для своего бурного времени немецком профессоре, безгранично преданном классической науке, в которую, сам того не желая, он внес самое большое потрясение.

Таким остался Макс Планк в воспоминаниях тех, кто его знал и любил.